西门子SITOP 直流电源简化冗余及电压监控实践

孟 涛，韩晓东

（一汽大众汽车有限公司，吉林长春 130011）

0 引言

西门子SITOP 直流电源在工业领域有着广泛应用，特别是老一代直流电源产品6EP14373BA00（40 A）仍然大量使用在工业生产中。2014 年，6EP14373BA00（40 A）直流电源已经正式宣布淘汰。很多仍在装机服役的6EP14373BA00 电源因现场温度、环境和电流冲击等因素，造成电源内部原件出现不同程度老化，随时会损坏。尤其是给可编程序控制器和安全控制器供电的直流电源，一旦损坏将会造成不可预估的停台和备件成本的损失。

目前，冲压车间4 条自动化生产线共装机使用132 个西门子40 A 直流电源，其中，6EP14373BA00（40 A）装机量为90个，42 个6EP14373BA10（40 A）是近3 年损坏更换的替代产品，该电源也在2021 年3 月宣布淘汰，电源老化情况严重，故障较多。电源损坏的主要原因有：①电源损坏短路后保护开关脱开，造成负载电器断电。②电压异常升高或降低，升高的电压烧毁负载电器。采取并联供电冗余和电压监控相结合的方式，可以有效应对以上突发故障。本文介绍西门子SITOP 直流电源在国内某大型汽车制造厂冲压车间冲压自动化生产线的简化冗余实践情况。

1 西门子SITOP 电源（40 A）系列产品介绍

西门子SITOP 直流电源（40 A）目前有6EP14373BA00（40 A）、6EP14373BA10（40 A）、6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）等三代产品。按照排列顺序，3 种直流24 V 电源具有体积逐渐减小，各项能力逐步增强，功能逐步增加的特点。6EP14373BA00（40 A）外壳宽度240 mm，无13、14 电压信号常开触点，无15、16 远程关断触点。6EP14373BA10（40 A）外壳宽度150 mm，有13、14 电压信号常开触点，无15、16 远程关断触点。6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）外壳宽度135 mm，有13、14 电压信号常开触点，有15、16远程关断触点。体积减小可有效节约电柜内部空间，13、14 电压信号常开触点可对输出电压超出范围进行反应，15、16 远程关断功能通过短接（＜8 kΩ）即可实现远程关闭。三代产品都具有拨码开关A 和B，用于控制输出特性曲线。并联使用时，拨码开关A拨到ON 位置，相当于增加了二极管，自带去耦功能，防止电源并联使用时，另一个电源损坏后形成负载，拉低正在工作的电源的输出电压。拨码开关B 具有锁定关断功能，控制输出电流在超载状态下的恒定状态，如图1 所示。

图1 开关A/B

2 西门子SITOP 电源（40 A）冗余功能介绍

冗余功能是指2 个电源并联供电，当一个电源故障停止输出电流后，另一个电源持续保持供电，不对工作中的负载设备产生断电影响。西门子SITOP 电源（40 A）的标准冗余方案需要添加冗余模块，订货号6EP1961-3BA21（40 A）。冗余模块的功能是对2 台同型号的电源进行解耦操作，用于电源系统扩容或冗余，并且可以监控显示模块输出状态，附带OK 触点可接入控制系统。2 个额定电流在10～20 A 的SITOP 电源进行冗余配置时，只需要增加一个额定电流40 A 的冗余模块用于冗余组网配置；2 个额定电流20 A 以上的SITOP 电源进行冗余配置时，必须使用2 个额定电流为40 A 的冗余模块才可以进行冗余组网配置（图2）。

图2 冗余配置40 A

使用冗余模块配置实现冗余存在2 个问题：①在成型的电柜布局内，没有冗余模块的安装空间。②全部添加冗余模块配置，需要较高的安装成本。鉴于这些问题，需要设计简化冗余模式。不使用冗余模块配置的并联需要满足以下5个要求。

（1）只有订货号完全相同的西门子SITOP 电源才可以直接并联使用。

（2）从每个西门子SITOP 电源的输出端子L+和M 连接到负载电流输出节点的导线长度和横截面积要尽量相等。

（3）西门子SITOP 电源并联时，禁止将2 个西门子SITOP电源的输出端L+和M 分别短接在一起。

（4）西门子SITOP 电源并联时，需要2 个电源的输出端L+同时接到负载的正极，同理，2 个M 点需要同时接到负载的负极（图3）。

图3 并联接线

（5）在新型的西门子SITOP 电源中，有一个拨码开关A，并联使用时，需要将A 拨到ON 位置，此时电源会改变输出特性，自动在2 个电源间分配负载电流。

3 IV-U3 直流电压检测控制延时继电器的参数设置

6EP14373BA00（40 A）未装配13、14 电压信号常开触点，为应对电源电压在工作中的异常升高或降低对负载电器产生的影响，需要使用电压监控模块对电压进行监控。在电压超出设定范围时，通过有效动作终止故障电源供电，保护电路负载电器。经过选型，IV-U3 直流电压检测控制延时继电器具备要求的功能，可通过设定的电压监控触发自带继电器动作，通过继电器的动作信号关断电源供电接触器，实现终止故障电源的错误电压输出，如图4 所示。IV-U3 直流电压检测控制延时继电器有4 组参数设置。

图4 IV-U3 接线

（1）P1 参数组功能为延时设定，即设定继电器吸合延时时间。

（2）P2 参数组功能为电压检测控制，即设定检测电压的区间，用于控制继电器动作，初始状态为释放状态。

（3）P3 参数组功能为电压检测控制，即设定检测电压的区间，用于控制继电器动作，初始状态为吸合状态。

（4）P4 参数组功能为过压欠压控制，即设定两个上下限值电压值，超过上限电压值或者低于下限电压值后，继电器产生动作（图5）。

图5 P4 参数设定

在冲压车间的电压监控应用中使用P1 和P4 参数配置模块。P1 参数设置延时时间，P4 参数对6EP14373BA00（40 A）输出的直流电压进行压力监控范围设定。根据现场设备实际用电需求情况，通过电位器调整电源的工作电压在24.5～26 V，设定检测电压范围为23.5～27 V。

4 带电压监控的6EP14373BA00（40 A）电源的简化冗余控制

4.1 冗余简图（图6）

图6 简化冗余简图

（1）总开关负责保证2 个电源同时上电和失电。

（2）分开关，实现对电源供电的单独过载保护，保护设定电流根据负载电器的满负荷值为基准值设定。额定输入电流2.6 A，技术手册要求保护电流3.0 A。

（3）继电器，在设备优先级满足条件下吸合供电，可通过电压监控模块的常闭点控制关断。

（4）西门子电源，6EP14373BA00（40 A）无13、14 电压信号常开触点。

（5）电源电压检测接线，由电源输出端引出接入检测模块检测端子。

（6）电压检测模块的常闭触点，检测电压超出设定正常范围后，继电器动作，常闭触点断开，继电器释放，切断电源模块供电。

（7）电压检测模块，检测电压精度0.1 V，带延时功能的继电器控制，继电器带一个常开和一个常闭触点。

（8）电压检测模块供电接线，由2 个直流电源的正极输出端并联后引出模块供电，模块可接受的电压范围是DC 8～35 V。

（9）电压检测模块负极接线，由2 个直流电源的负极输出端并联后引出模块负极。

（10）散热二极管（50 A），隔离检测电压，防止一个故障电源的电压升高，对另一个并联电源的电压检测造成影响。二极管ZP50A.58，封装M220.58，散热器HS1040。

4.2 电路功能实现过程

（1）短路故障。2 个电源并联均衡分配负载需要的电源，对负载供电，当直流电源1 发生短路故障时，Q2 脱开，直流电源1电源停止供电。同时，直流电源2 的输出电流在4～10 ms 内由负载所需电流的50%提升至负载所需电流的100%，保证负载稳定运行。同时散热二极管1 防止损坏的电源形成负载，拉低直流电源2 的输出电压。

（2）电压异常。2 个电源均衡并联分配负载需要的电源，对负载供电，当直流电源1 调节电压故障，输出电压异常升高超出27 V 时，通过电压检测模块的常闭触点1 检测电压接线，电压检测模块1 继电器吸合，常闭触点断开，KC1 失电释放，切断直流电源1 供电。同时，直流电源2 的输出电流在4～10 ms 内由负载所需电流的50%提升至负载所需电流的100%，保证负载稳定运行。同时散热二极管1 发挥隔离作用，阻断升高的电压通过并联电路，对电压检测模块的常闭触点2 的检测电压产生影响。3BA00 并联输出特性曲线如图7 所示。

图7 3BA00 并联输出特性曲线

5 结束语

西门子SITOP 直流电源简化冗余和电压监控适用于为重要的用电设备供电的电源（如CPU 等重要用电设备），已经产生供电电源器件老化，进而有可能导致发生严重停机故障，或者造成负载电器损毁的控制电路中，有效提高用电安全性。对于升级的电源模块，6EP14373BA10（40 A），可通过自带的13、14 电压信号常开触点代替电压监控模块，实现上述功能。6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）自带13、14电压信号常开触点和15、16 远程关断功能，可减少电压监控模块，以及根据实际需要，自行选择加装并控制继电器，控制执行电源模块的关断或使用远程关断功能关闭电源。